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Usando material estelar oscilante, os astrónomos mediram pela primeira vez a rotação de um buraco negro supermassivo
24 de maio de 2024
 

Esta figura esquemática representa a precessão de um disco de acreção formado a partir dos detritos de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo. O painel da esquerda mostra a fase de precessão quando o disco de acreção está próximo de uma configuração vista de lado, o que resulta numa área mais pequena do disco a ser observada e, portanto, numa luminosidade mais baixa. O observador pode ver maioritariamente as partes mais frias e exteriores do disco em precessão. O painel da direita mostra uma fase de precessão quase de face, quando a área visível do disco é maior e, portanto, a luminosidade também aumenta. As partes internas e mais quentes do disco ficam então totalmente expostas.
Crédito: cortesia de Michal Zajacek e Dheeraj Pasham
 
     
 
 
 

Os astrónomos do MIT (Massachusetts Institute of Technology), da NASA e de outras instituições têm uma nova forma de medir a velocidade de rotação de um buraco negro, utilizando as consequências do seu banquete estelar.

O método tira partido de um evento de perturbação de marés de um buraco negro - um momento de brilho intenso em que um buraco negro exerce marés sobre uma estrela próxima e a desfaz em pedaços. À medida que a estrela é perturbada pelas imensas forças de maré do buraco negro, metade da estrela é destruída, enquanto a outra metade é lançada à volta do buraco negro, gerando um disco de acreção intensamente quente de material estelar em rotação.

A equipa liderada pelo MIT demonstrou que a oscilação do recém-criado disco de acreção é fundamental para determinar a rotação inerente ao buraco negro central.

Num estudo publicado na revista Nature, os astrónomos referem que mediram a rotação de um buraco negro supermassivo próximo, seguindo o padrão de flashes de raios X que o buraco negro produziu imediatamente a seguir a um evento de perturbação de marés. A equipa seguiu os flashes durante vários meses e determinou que eram provavelmente um sinal de um disco de acreção brilhante e quente que oscilava para trás e para a frente à medida que era empurrado e puxado pela rotação do próprio buraco negro.

Ao rastrear a forma como a oscilação do disco se alterava ao longo do tempo, os cientistas puderam calcular o quanto o disco estava a ser afetado pela rotação do buraco negro e, por sua vez, a que velocidade o próprio buraco negro estava a girar. A sua análise mostrou que o buraco negro girava a menos de 25 por cento da velocidade da luz - relativamente lento, no que diz respeito aos buracos negros.

O autor principal do estudo, o investigador do MIT Dheeraj "DJ" Pasham, afirma que o novo método poderá ser utilizado para medir a rotação de centenas de buracos negros no Universo local nos próximos anos. Se os cientistas conseguirem determinar as rotações de muitos buracos negros próximos, poderão começar a compreender como é que os gigantes gravitacionais evoluíram ao longo da história do Universo.

"Ao estudar vários sistemas nos próximos anos com este método, os astrónomos podem estimar a distribuição global das rotações dos buracos negros e compreender a questão de longa data de como evoluem ao longo do tempo", diz Pasham, que é membro do Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT.

Os coautores do estudo incluem colaboradores de várias instituições, incluindo a NASA, a Universidade Masaryk na Chéquia, a Universidade de Leeds, a Universidade de Syracuse, a Universidade de Tel Aviv, a Academia Polaca de Ciências, entre outras.

Calor "triturado"

Cada buraco negro tem uma rotação inerente que foi moldada pelos seus encontros cósmicos ao longo do tempo. Se, por exemplo, um buraco negro cresceu principalmente por acreção - breves instâncias em que algum material cai no disco, isso faz com que o buraco negro gire a velocidades bastante elevadas. Em contraste, se um buraco negro cresce principalmente por fusão com outros buracos negros, cada fusão pode tornar as coisas mais lentas, uma vez que a rotação de um buraco negro "combate" com a rotação do outro.

Quando um buraco negro gira, arrasta consigo o espaço-tempo que o rodeia. Este efeito de arrasto é um exemplo da precessão de Lense-Thirring, uma teoria de longa data que descreve as formas como campos gravitacionais extremamente fortes, como os gerados por um buraco negro, podem puxar o espaço e o tempo circundantes. Normalmente, este efeito não seria óbvio à volta dos buracos negros, uma vez que os objetos massivos não emitem luz.

Mas, nos últimos anos, os físicos propuseram que, em casos como o de um evento de perturbação de marés, ou TDE (sigla inglesa para "tidal disruption event"), os cientistas poderiam ter a hipótese de seguir a luz dos detritos estelares à medida que estes são arrastados. E, assim sendo, esperar medir a rotação do buraco negro.

Em particular, durante um TDE, os cientistas preveem que uma estrela pode cair num buraco negro a partir de qualquer direção, gerando um disco de material branco e quente que pode estar inclinado, ou desalinhado, em relação à rotação do buraco negro (imagine o disco de acreção como um donut inclinado que está a girar em torno de um buraco que tem a sua própria rotação). Quando o disco encontra a rotação do buraco negro, ele oscila à medida que o buraco negro o puxa para o alinhamento. Eventualmente, a oscilação diminui à medida que o disco se acomoda na rotação do buraco negro. Os cientistas previram que a oscilação do disco de um TDE deveria, portanto, ser uma assinatura mensurável da rotação do buraco negro.

"Mas a chave era ter as observações corretas", diz Pasham. "A única forma de o fazer é, assim que se dá um evento de perturbação de marés, arranjar um telescópio que olhe para este objeto continuamente, durante muito tempo, para que se possa sondar todo o tipo de escalas de tempo, de minutos a meses".

 

Uma captura de alta cadência

Nos últimos cinco anos, Pasham tem procurado eventos de perturbação de marés que sejam suficientemente brilhantes e estejam suficientemente próximos para poder acompanhar rapidamente e detetar sinais da precessão de Lense-Thirring. Em fevereiro de 2020, ele e os seus colegas tiveram sorte, com a deteção de AT2020ocn, um flash brilhante, emanando de uma galáxia a cerca de mil milhões de anos-luz de distância, que foi inicialmente detetado na banda ótica pelo ZTF (Zwicky Transient Facility).

Nos dados óticos, o clarão parecia ser o primeiro momento após um TDE. Sendo ambos brilhantes e relativamente próximos, Pasham suspeitou que o TDE poderia ser o candidato ideal para procurar sinais da oscilação do disco e possivelmente medir a rotação do buraco negro no centro da galáxia hospedeira. Mas, para isso, precisaria de muito mais dados.

"Precisávamos de dados rápidos e de alta cadência", diz Pasham. "A chave era apanhar isto logo no início, porque esta precessão, ou oscilação, só deveria estar presente no início. Se fosse mais tarde, o disco deixaria de oscilar".

A equipa descobriu que o telescópio NICER da NASA foi capaz de captar o TDE e de o observar continuamente durante meses. O NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR) é um telescópio de raios X instalado na Estação Espacial Internacional que mede a radiação em torno de buracos negros e outros objetos gravitacionais extremos.

Pasham e os seus colegas analisaram as observações NICER de AT2020ocn durante 200 dias após a deteção inicial do evento de perturbação de marés. Descobriram que o evento emitia raios X que pareciam atingir um pico de 15 em 15 dias, durante vários ciclos, antes de se extinguirem. Interpretaram os picos como momentos em que o disco de acreção do TDE oscilava visto de face, emitindo raios X diretamente para o telescópio do NICER, antes de oscilar para longe enquanto continuava a emitir raios X (semelhante a acenar com uma lanterna na direção de alguém e para outra direção a cada 15 dias).

Os investigadores pegaram neste padrão de oscilação e trabalharam-no na teoria original da precessão de Lense-Thirring. Com base em estimativas da massa do buraco negro e da estrela perturbada, conseguiram chegar a uma estimativa da rotação do buraco negro - menos de 25 por cento da velocidade da luz.

Os seus resultados marcam a primeira vez que os cientistas usaram observações de um disco oscilante após um evento de perturbação de marés para estimar a rotação de um buraco negro.

"Os buracos negros são objetos fascinantes e os fluxos de matéria que vemos cair sobre eles podem gerar alguns dos acontecimentos mais luminosos do Universo", afirma Chris Nixon, coautor do estudo e professor associado de física teórica na Universidade de Leeds. "Embora haja muita coisa que ainda não compreendemos, existem espantosas instalações observacionais que continuam a surpreender-nos e a gerar novas vias para explorar. Este evento é uma dessas surpresas".

Com a entrada em funcionamento de novos telescópios, como o Observatório Rubin, nos próximos anos, Pasham prevê mais oportunidades para determinar a rotação dos buracos negros.

"A rotação de um buraco negro supermassivo diz-nos qual a história desse buraco negro", diz Pasham. "Mesmo que uma pequena fração dos que o Rubin captar tenha este tipo de sinal, temos agora uma forma de medir a rotação de centenas de TDEs. Poderíamos então fazer uma grande afirmação sobre a forma como os buracos negros evoluem ao longo da idade do Universo".

// MIT (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)
// Artigo científico (arXiv.org)

 


Quer saber mais?

Notícias relacionadas:
EurekAlert!
SPACE.com
Popular Science
PHYSORG
science alert

Buraco negro:
Wikipedia
Evento de perturbação de marés ou TDE - "Tidal disruption event" (Wikipedia)

Precessão de Lense-Thirring:
Wikipedia

AT2020ocn:
Transient Name Server

NICER (Neutron Star Interior Composition ExploreR):
NASA
Wikipedia

ZTF (Zwicky Transient Facility):
Caltech
ipac
Wikipedia

 
   
 
 
 
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